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火花点火式（Spark Ignition,SI）发动机小型强化是提高发动机热效率、降低排放的有效技术路线，而爆震是限制小型强化程度进一步提升的主要瓶颈。SI发动机中由于缸内流场波动引起的燃烧循环波动（Cycle-to-Cycle Variation,CCV）是普遍存在的现象，循环波动特性也使爆震工况下循环间的爆震强度存在较大差异。研究循环波动特性对爆震的影响机理，即研究引起爆震循环波动现象（即同一工况下不同循环间存在爆震强度差异）的根本原因，探索除宏观控制参数（诸如点火提前角、进气温度等）外，缸内燃烧过程中关键物理-化学过程对爆震强度的影响机理，对完善实际工况SI发动机爆震机理具有重要意义。本文以SI小型强化发动机为研究对象，采用模拟、实验与理论分析相结合的方法，从缸内流场波动引起爆震强度循环波动的现象着手，深入研究了流场的变化对自燃点形成和发展的作用规律以及自燃诱导强压力波生成的机理。主要研究内容与结论如下：
首先，开展正常燃烧工况下循环波动特性的研究。本文采用G方程湍流燃烧模型求解湍流-燃烧的相互作用，引入反应进程变量作为自适应网格加密的标准，搭建了实现预测准确度与计算效率平衡的三维大涡模拟平台。基于模拟结果，分析了火焰结构和缸内流场对燃烧参数循环波动的影响。结果表明，SI发动机燃烧循环波动的根本原因在于循环间缸内流场空间分布的差异：宏观速度方向无序性较强且湍流扰动较大时，缸内流场中火焰传播速度较快，从而引起较高的爆发压力。
随后，开展了循环波动特性对爆震的影响机理研究。基于已搭建的三维大涡模拟平台，分别研究了低爆震强度循环与高爆震强度循环中从自燃点产生到压力波峰值形成的过程，并分析了不同工况的平均爆震强度大小与缸内流场的联系。研究结果表明，强爆震往往产生于未燃混合气中多点自燃过程，而引起不同工况下以及同一工况下的不同循环间在爆震强度上的差异的根本原因在于：缸内流场分布的变化影响缸内局部的湍流-燃烧相互作用过程，改变了爆震燃烧中自燃点的形成时刻与位置，进而导致不同的自燃点相互作用模式。
为了深入揭示湍流对自燃过程的影响机理，提出了动态自适应多区算法（Dynamic Adaptive Multi-Zone,DAMZ），该方法可解决求解详细化学反应动力学带来的巨大计算量问题，并有效地提高爆震燃烧数值模拟的效率和精度。基于此，耦合线性涡模型，开展了湍流强度对自燃的影响机理研究。由于燃料具有负温度系数特性，研究了不同初始温度，不同湍流强度下自燃点形成和发展过程以及自燃火焰传播模式。发现当初始温度小于负温度系数范围，随着湍流强度的增大，自燃点形成的时刻明显推迟，初始自燃火核半径减小，且火焰面传播由自燃控制转变为扩散-反应平衡控制。当初始温度高于负温度系数范围，低湍流强度下初始自燃点在负温度区域形成，即产生冷点自燃现象；较高的湍流强度会使自燃点由冷区向热区转移，但火焰传播仍受连续自燃控制。结果表明，在较低反应活性的末端气体中，湍流涡团可通过改变自燃火焰传播模式，直接影响火焰传播速度与缸内压力波峰值。湍流对自燃的作用机理与末端混合气热力学状态密切相关。
最后，为揭示自燃点间相互作用诱导强压力波形成的过程，基于求解可压缩化学反应流的一维程序耦合DAMZ，开展了长链烷烃燃料（标准参考燃料）和空气混合气在发动机上止点处缸内条件下多点自燃过程的数值模拟研究。结果表明，在合适的初始温度（约800.0K，低于负温度系数范围），较小自燃点间距以及较大的温度不均匀度的初始条件下，两点自燃产生的多道压力波间的末端未燃气体，在火焰和压力波传播作用下形成新的局部自燃，并产生新的压力波，多道压力波逐步合并，最终形成压力波与燃烧波耦合的爆轰波。由于爆轰波形成于远离壁面侧，可以通过加速主火焰传播的方式抑制剧烈爆震的形成。然而，当未燃混合气初始温度较高，最剧烈的压力振荡将产生于初始自燃点间与壁面较近。此时，虽然爆轰波较难形成但难以通过加速主火焰传播的方法降低爆震强度。该研究揭示了影响缸内压力波峰值大小与产生位置的因素，完善了缸内条件下强压力波/爆轰波的形成机理。
首先，开展正常燃烧工况下循环波动特性的研究。本文采用G方程湍流燃烧模型求解湍流-燃烧的相互作用，引入反应进程变量作为自适应网格加密的标准，搭建了实现预测准确度与计算效率平衡的三维大涡模拟平台。基于模拟结果，分析了火焰结构和缸内流场对燃烧参数循环波动的影响。结果表明，SI发动机燃烧循环波动的根本原因在于循环间缸内流场空间分布的差异：宏观速度方向无序性较强且湍流扰动较大时，缸内流场中火焰传播速度较快，从而引起较高的爆发压力。
随后，开展了循环波动特性对爆震的影响机理研究。基于已搭建的三维大涡模拟平台，分别研究了低爆震强度循环与高爆震强度循环中从自燃点产生到压力波峰值形成的过程，并分析了不同工况的平均爆震强度大小与缸内流场的联系。研究结果表明，强爆震往往产生于未燃混合气中多点自燃过程，而引起不同工况下以及同一工况下的不同循环间在爆震强度上的差异的根本原因在于：缸内流场分布的变化影响缸内局部的湍流-燃烧相互作用过程，改变了爆震燃烧中自燃点的形成时刻与位置，进而导致不同的自燃点相互作用模式。
为了深入揭示湍流对自燃过程的影响机理，提出了动态自适应多区算法（Dynamic Adaptive Multi-Zone,DAMZ），该方法可解决求解详细化学反应动力学带来的巨大计算量问题，并有效地提高爆震燃烧数值模拟的效率和精度。基于此，耦合线性涡模型，开展了湍流强度对自燃的影响机理研究。由于燃料具有负温度系数特性，研究了不同初始温度，不同湍流强度下自燃点形成和发展过程以及自燃火焰传播模式。发现当初始温度小于负温度系数范围，随着湍流强度的增大，自燃点形成的时刻明显推迟，初始自燃火核半径减小，且火焰面传播由自燃控制转变为扩散-反应平衡控制。当初始温度高于负温度系数范围，低湍流强度下初始自燃点在负温度区域形成，即产生冷点自燃现象；较高的湍流强度会使自燃点由冷区向热区转移，但火焰传播仍受连续自燃控制。结果表明，在较低反应活性的末端气体中，湍流涡团可通过改变自燃火焰传播模式，直接影响火焰传播速度与缸内压力波峰值。湍流对自燃的作用机理与末端混合气热力学状态密切相关。
最后，为揭示自燃点间相互作用诱导强压力波形成的过程，基于求解可压缩化学反应流的一维程序耦合DAMZ，开展了长链烷烃燃料（标准参考燃料）和空气混合气在发动机上止点处缸内条件下多点自燃过程的数值模拟研究。结果表明，在合适的初始温度（约800.0K，低于负温度系数范围），较小自燃点间距以及较大的温度不均匀度的初始条件下，两点自燃产生的多道压力波间的末端未燃气体，在火焰和压力波传播作用下形成新的局部自燃，并产生新的压力波，多道压力波逐步合并，最终形成压力波与燃烧波耦合的爆轰波。由于爆轰波形成于远离壁面侧，可以通过加速主火焰传播的方式抑制剧烈爆震的形成。然而，当未燃混合气初始温度较高，最剧烈的压力振荡将产生于初始自燃点间与壁面较近。此时，虽然爆轰波较难形成但难以通过加速主火焰传播的方法降低爆震强度。该研究揭示了影响缸内压力波峰值大小与产生位置的因素，完善了缸内条件下强压力波/爆轰波的形成机理。